I ricercatori hanno sviluppato un nuovo strumento di telerilevamento basato sul rilevamento e la distanza della luce (LIDAR) che potrebbe offrire un modo semplice e robusto per misurare con precisione la velocità del vento. Il dettagliato, le misurazioni del vento in tempo reale potrebbero aiutare gli scienziati a capire meglio come si formano gli uragani e fornire informazioni che i meteorologi possono utilizzare per individuare prima l'approdo, dando alle persone più tempo per prepararsi ed evacuare.

"Mentre l'uragano Harvey si avvicinava agli Stati Uniti, i cacciatori di uragani sono volati direttamente nella tempesta e hanno lasciato cadere sensori per misurare la velocità del vento, " disse Xiankang Dou, capo del gruppo di ricerca presso l'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina (USTC). "Il nostro strumento Doppler LIDAR può essere utilizzato da un aereo per misurare a distanza il vento di un uragano con elevate risoluzioni spaziali e temporali. In futuro, potrebbe persino effettuare queste misurazioni a bordo dei satelliti".

Le misurazioni del vento sono fondamentali anche per determinare condizioni di volo sicure, capire come l'inquinamento si muove nell'aria e far funzionare in modo efficiente le turbine eoliche. Le attuali tecnologie di misurazione del vento ad alta precisione possono essere costose e difficili da utilizzare, portando a lacune nell'applicazione di queste tecnologie nelle situazioni in cui sono più utili.

"Abbiamo dimostrato un LIDAR del vento Doppler con un layout ottico semplificato che migliora anche sostanzialmente la stabilità del sistema, " ha detto Dou. "Anche se in genere sono necessari specialisti per far funzionare e mantenere un sofisticato LIDAR Doppler, siamo fiduciosi di poter sviluppare il nostro approccio in un sistema che sarà facile da usare come uno smartphone."

Nella rivista The Optical Society (OSA) Lettere di ottica , i ricercatori hanno dimostrato la capacità del loro sistema LIDAR del vento Doppler di misurare la velocità del vento orizzontale con elevata precisione e hanno dimostrato che il sistema è rimasto stabile per un periodo di prova di 10 giorni. I ricercatori affermano che la stabilità e l'accuratezza di questo nuovo sistema rappresentano un miglioramento sostanziale rispetto ai LIDAR del vento Doppler a rilevamento diretto precedentemente sviluppati.

Un'importante applicazione di LIDAR è in aeronautica, dove può essere utilizzato su aeromobili o da una stazione di terra per misurare a distanza il movimento dell'aria. Con una risoluzione spaziale verticale di 10 metri, il nuovo sistema potrebbe misurare fenomeni del vento su piccola scala come il wind shear e la turbolenza di scia creata da un aereo. Una migliore comprensione di questi fenomeni potrebbe migliorare la sicurezza del volo e anche aumentare la capacità aeroportuale ottimizzando la separazione tra gli aeromobili durante il decollo e l'atterraggio.

Usare la luce per misurare il vento

LIDAR è un metodo di telerilevamento che è stato utilizzato per creare mappe ad alta risoluzione, scansiona il fondo del fondale oceanico e per guidare le auto senza conducente. Per misurare il vento, un sistema LIDAR emette un impulso laser che si propaga nell'atmosfera dove interagisce con molecole e aerosol. Una piccola quantità di luce si disperde verso lo strumento LIDAR, dove viene raccolto da un telescopio. Quando il vento fa muovere l'aria, questo provoca uno spostamento Doppler che può essere rilevato dal dispositivo.

I ricercatori hanno progettato un LIDAR del vento Doppler a rilevamento diretto a doppia frequenza che utilizzava un laser che emetteva luce da 1,5 micron. Poiché questa lunghezza d'onda è comunemente utilizzata nelle reti di comunicazione ottica, sono stati in grado di costruire il sistema utilizzando componenti in fibra ottica disponibili in commercio, ciascuno combina diversi componenti per il controllo della luce in un unico dispositivo. La struttura interamente in fibra del sistema LiDAR è quindi robusta contro le vibrazioni e la gestione delle operazioni difficili.

Rispetto ai sistemi sviluppati in precedenza, il nuovo design semplificato rende molto più facile configurare e allineare ogni componente, aumenta la stabilità e riduce la quantità di luce persa all'interno del sistema. Il nuovo sistema inoltre non richiede calibrazione dopo essere stato inizializzato e non richiede una protezione speciale per gli occhi.

"Per i sistemi LIDAR che verranno utilizzati a tempo pieno sul campo, la sicurezza degli occhi è una considerazione importante, " ha detto Haiyun Xia, il principale investigatore del Quantum Lidar Laboratory presso l'USTC. "Fortunatamente, il laser da 1,5 micron che abbiamo utilizzato mostra la massima esposizione consentita per la sicurezza degli occhi nella gamma di lunghezze d'onda da 0,3 a 10 micron."

La lunghezza d'onda di 1,5 micron è ideale anche per il rilevamento del vento atmosferico dai satelliti perché, rispetto alle lunghezze d'onda UV e visibili, mostra una minore suscettibilità alle perturbazioni atmosferiche e alla contaminazione ottica del sole e di altre fonti. Le misurazioni del vento satellitari vengono utilizzate per le previsioni meteorologiche e gli studi meteorologici. "Il LIDAR del vento Doppler spaziale è ora considerato il modo più promettente per soddisfare la necessità di requisiti globali sui dati del vento e per colmare le lacune nei dati sul vento forniti da altri metodi, " ha detto Xia.

Componenti ottici aggiornati

La configurazione ottica per il nuovo LIDAR del vento Doppler contiene una sola sorgente laser, un rivelatore e un interferometro Fabry-Perot a canale singolo che converte lo spostamento Doppler in variazioni del numero di fotoni dei segnali di retrodiffusione. L'utilizzo di un interferometro Fabry-Perot realizzato con fibre ottiche anziché uno costituito da molti singoli componenti ottici ha reso il sistema abbastanza robusto e stabile da poter essere utilizzato in ambienti difficili come a bordo di aerei o satelliti.

Il nuovo sistema include anche uno dei rivelatori più veloci disponibili per il conteggio di singoli fotoni, un rivelatore a singolo fotone a nanofili superconduttori (SNSPD). Questo rilevatore ha migliorato le prestazioni del LIDAR rispetto ai fotodiodi da valanga InGaAs tipicamente utilizzati per rilevare la luce da 1,5 micron.

"L'elevata efficienza di rilevamento e il basso tasso di conteggio scuro dell'SNSPD significa che il segnale debole dalla luce retrodiffusa può essere rilevato con un elevato rapporto segnale-rumore, " ha detto Xia. "Un'altra caratteristica interessante del SNSPD è il suo alto tasso di conteggio massimo, che aiuta a evitare la saturazione del rivelatore."

I ricercatori hanno testato il loro sistema esaminandone prima la stabilità dopo la calibrazione. Globale, le misurazioni del sistema variavano di meno di 0,2 metri al secondo in 10 giorni in laboratorio. Hanno quindi testato il sistema all'aperto e confrontato le sue misurazioni del vento orizzontale con le misurazioni di un sensore del vento a ultrasuoni, un sistema non remoto per la misurazione del vento. In media, le misurazioni LIDAR erano entro 0,1 metri al secondo e 1 gradi per la velocità e la direzione del vento, rispettivamente.

I ricercatori stanno ora lavorando per migliorare la risoluzione spaziale del sistema LIDAR del vento Doppler e vogliono renderlo ancora più pratico da usare sul campo. Hanno anche fondato una società per sviluppare ulteriormente il sistema e prevedono di avere una versione commerciale disponibile il prossimo anno.